燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関
【課題】比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させる。
【解決手段】インジェクタ１５の筐体１６の中空室１６ａ内にスリーブ１７を軸回り方向の回動および軸方向の移動が可能な状態で設け、そのスリーブ１７の中空室１７ａ内にニードル１９を軸方向に移動可能な状態で設けた。スリーブ１７には、その軸回り方向の回動または軸方向の移動の位置に応じて、筐体１６の第１噴孔１６ｃに一致するように第２噴孔１７ｃが形成されている。そして、スリーブ１７の回転角度を制御することにより、燃料噴射位置および燃料噴射量を制御する。
【解決手段】インジェクタ１５の筐体１６の中空室１６ａ内にスリーブ１７を軸回り方向の回動および軸方向の移動が可能な状態で設け、そのスリーブ１７の中空室１７ａ内にニードル１９を軸方向に移動可能な状態で設けた。スリーブ１７には、その軸回り方向の回動または軸方向の移動の位置に応じて、筐体１６の第１噴孔１６ｃに一致するように第２噴孔１７ｃが形成されている。そして、スリーブ１７の回転角度を制御することにより、燃料噴射位置および燃料噴射量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に関し、更に詳しくは、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることが可能な燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて、熱効率が良く、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量が少ないので、地球温暖化や石油枯渇問題の観点から有利である。また、近年のコモンレール式の燃料噴射装置の採用により、燃料を微粒化でき、燃料を燃焼期間中に完全に燃焼させることができるので、黒煙や未燃炭化水素等の排出量の低減も実現されている。
【０００３】
また、黒煙、未燃炭化水素および窒素酸化物（ＮＯｘ）のような排出ガスの低減や燃料消費率の低減を達成するための燃焼最適化の観点から、燃料の噴霧形状（分布）や噴射量等を負荷に応じて変化させることが重要視されており、種々の技術が提案されている。例えばニードルの上下量やニードル上昇による開弁時間を制御することにより、燃料噴射量を制御することが行われている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００４】
また、例えば燃料噴射装置内に軸を同一にして２つのニードルを配置し、この２つのニードルの軸方向の移動に応じて複数の噴孔を順に開放することで、燃料噴射率を変えることが行われている（例えば特許文献３〜６参照）。
【０００５】
また、例えば外周に溝または孔が形成されたロータリバルブをニードルの先端に設け、そのロータリバルブを回転させることで噴孔の面積を連続的に変えて燃料噴射量を制御することが行われている（例えば特許文献７参照）。
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１〜７においては、燃料の噴射位置、噴射形状（分布）、噴射量または応答性等のような燃料噴射の制御性の上で充分とは言えない、という問題がある。
【０００７】
例えば特許文献１〜６では、さらに噴孔やニードルを増やすには限界があり、燃料噴射形状や燃料噴射量をさらに精細に制御することができない。また、燃料噴射流路の一部が閉塞すると流量が一定になってしまう問題もある。
【０００８】
また、上記した特許文献７では、微細なニードルの先端部分に配置されたロータリバルブに燃料噴射形状や燃料噴射量を制御するための溝や孔を形成しているが、その溝や孔を多く配置するには加工精度や強度確保の観点から難しいため、燃料噴射形状や燃料噴射量をさらに精細に制御することが難しい。
【０００９】
また、特許文献３〜６ではニードルを２つ配置し、特許文献７ではニードルの先端部分のロータリバルブに溝や孔を配置するなど、いずれもニードルが一般的なものと異なり構造が複雑になる上、そのためにニードルの駆動制御が複雑になる問題や強度が低下する問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１７６６５７号公報
【特許文献２】特開２００７−０３２２７６号公報
【特許文献３】特開２００６−１０５０６７号公報
【特許文献４】特開２００７−２２４８９６号公報
【特許文献５】特開２００８−３８７６１号公報
【特許文献６】特開２００７−２１８１７５号公報
【特許文献７】特開平１０−１８４４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができる燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明の燃料噴射装置は、第１中空室を有し、かつ、前記第１中空室と外部とを連通する第１燃料噴射孔を有する筐体を装置本体に備え、前記装置本体に供給された燃料を、前記筐体の前記第１燃料噴射孔から内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、前記第１中空室に、軸回りの回動および軸方向の移動が可能な状態で収容され、かつ、第２中空室を有する第１燃料制御部材と、前記第１燃料制御部材の回動および移動を制御する第１制御部と、前記第２中空室内に、軸方向に移動可能な状態で収容され、該軸方向の移動により前記第１燃料噴射孔への燃料の供給を制御する第２燃料制御部材と、前記第２燃料制御部材の軸方向の移動を制御する第２制御部とを備え、前記第１燃料制御部材には、該第１燃料制御部材の外部と前記第２中空室とを連通する第２燃料噴射孔が形成されており、前記第２燃料噴射孔の出口は、前記第１燃料制御部材の一または複数の位置において、前記第１燃料噴射孔の入口に対向するように設けられており、前記第１燃料制御部材の回動および軸方向の移動により、前記第１燃料噴射孔の入口と前記第２燃料噴射孔の出口とを対向させることで燃料噴射流路の形成と、該燃料噴射流路の断面積の変更とを行うものである。
【００１３】
また、上記の燃料噴射装置において、前記第１燃料制御部材の壁面と前記第１中空室の壁面との間の燃料のシール部は、前記第１燃料制御部材において前記第１燃料噴射孔の配置面から離れた位置に配置された第１シール面と、前記第１中空室の壁面において前記第１シール面に対向する第２シール面とを備え、前記第１シール面が、前記第２シール面に当てられた状態で接触することで形成されるものである。
【００１４】
また、上記の燃料噴射装置において、前記第１燃料制御部材の外形は、円錐台形状に形成されており、前記第１燃料制御部材の壁面と、前記第１中空室の壁面とが互いに沿うように形成されているものである。
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記燃料噴射装置を備えるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関によれば、燃料噴射装置の筐体内に収容された第１燃料制御部材の軸回りの回動および軸方向の移動と、第２燃料制御部材の軸方向移動とにより燃料噴射を制御することにより、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができる。したがって、排気ガスを低減することができ、また、燃料消費率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図である。
【図２】図１の内燃機関の第１の実施の形態の燃料噴射装置の一例の全体断面図である。
【図３】図２の燃料噴射装置の燃料噴射部の拡大断面図である。
【図４】図３のＸ１−Ｘ１線の要部断面図である。
【図５】図２および図３のスリーブの位置ずれ防止機構部の拡大断面図である。
【図６】図２および図３のスリーブの位置ずれ防止機構部の他の例の拡大断面図である。
【図７】図２および図３のスリーブ制御部の他の例の拡大断面図である。
【図８】図７のスリーブ制御部の一部を抜き出して示した要部斜視図である。
【図９】図２の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態を模式的に示した燃料噴射装置の要部斜視図である。
【図１０】図９の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態の一例の平面図である。
【図１１】図２の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態を模式的に示した燃料噴射装置の要部斜視図である。
【図１２】図１１の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態の一例の平面図である。
【図１３】図２の燃料噴射装置の燃料噴射量の変化を模式的に示したグラフ図である。
【図１４】従来のインジェクタの燃料噴射量の変化を模式的に示したグラフ図である。
【図１５】図２の燃料噴射装置を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料噴射時の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１６】図２の燃料噴射装置を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料噴射後の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１７】図２の燃料噴射装置を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料噴射時の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１８】図２の燃料噴射装置を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料噴射後の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態における燃料噴射装置の要部を模式的に示した斜視図である。
【図２０】図１９の一部の構成を抜き出して示した要部斜視図である。
【図２１】図１９の燃料噴射装置の燃料噴射時の要部を模式的に示した斜視図である。
【図２２】図１９の燃料噴射装置の燃料噴射停止時の要部を模式的に示した斜視図である。
【図２３】従来のインジェクタの筐体に穿孔された噴孔の配置部分の拡大断面図である。
【図２４】図２３のインジェクタのアウターニードルの部分拡大断面図である。
【図２５】従来の一般的なインジェクタの全体断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図を示す。本実施の形態の内燃機関は、例えば、トラックのような自動車に搭載される直列４気筒のコモンレール式のディーゼルエンジン１として構成される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等に適用することもできる。
【００２０】
このディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１は、シリンダ（気筒）２内のピストン３の頂面に凹設されたキャビティ（燃焼室）４内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給して自己着火させ、この時の自己着火による燃焼で生じる膨張ガスによってピストン３を駆動させる構成を有している。
【００２１】
シリンダ２は、ピストン３の往復運動を誘導するとともに燃料ガスを収める円筒状の部品である。シリンダ２の内周面には図示しないライナが形成されている。シリンダ２においてライナの外側の肉厚部にはシリンダ冷却用の冷却媒体が流れる冷却通路２ａが形成されている。
【００２２】
シリンダ２の内部には、ピストン３がシリンダ２の内周面のライナに沿って往復運動が可能な状態で設置されている。このピストン３の下部は、コネクティングロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に接続されている。このクランクシャフトにより、ピストン３の往復運動が回転運動に変換される。なお、図１はピストン３が上死点にある時を示している。
【００２３】
このシリンダ２の上部のシリンダヘッド５には、吸気ポート（吸気口）７および排気ポート（排気口）８が設置されている。吸気ポート７は吸気管９に接続され、排気ポート８は排気管１０に接続されている。
【００２４】
また、吸気ポート７側には吸気用のバルブ１１ａ（１１）が設置され、排気ポート８側には排気用のバルブ１１ｂ（１１）が設置されている。吸気用のバルブ１１ａは吸気ポート７を開閉し、排気用のバルブ１１ｂは排気ポート８を開閉する。
【００２５】
吸排気用のバルブ１１（１１ａ，１１ｂ）が図１の下方向に移動した時は開弁方向であり、図１の上方向に移動した時は閉弁方向である。これらの吸排気用のバルブ１１（１１ａ，１１ｂ）は、それぞれを駆動する可変動弁機構部（駆動装置）１２（１２ａ，１２ｂ）に機械的に接続されている。
【００２６】
また、シリンダヘッド５の吸気ポート７と排気ポート８との間であって、ピストン３の頂面中央に対向する位置には、燃料をキャビティ４内に直接噴射するためのインジェクタ（燃料噴射装置）１５が設置されている。
【００２７】
このインジェクタ１５には、コモンレール（図示せず）に貯留された高圧燃料が常時供給される。インジェクタ１５においてシリンダ２内に突出されているノズル部には、複数の微細な噴孔が形成されており、その複数の微細な噴孔から燃料が放射状に同時に噴射される。このノズル部先端の各噴孔から噴射される燃料の噴射軸Ｊは、上記した軸心Ｃに対してそれぞれ所定の噴射角度θだけ傾けられている。この噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってシリンダ２内のキャビティ４内に収まる角度に設定されている。
【００２８】
このようなエンジン１は、下記の第１、第２の実施の形態のいずれかのインジェクタ１５を備えて構成される。
【００２９】
まず、第１の実施の形態の燃料噴射装置であるインジェクタ１５について図２〜図４等を参照しながら説明する。なお、図２はインジェクタ１５の一例の全体断面図、図３は図２の燃料噴射部の拡大断面図、図４は図３のＸ１−Ｘ１線の断面図を示している。
【００３０】
図２に示すように、インジェクタ１５は、燃料噴射部１５ａと、ニードル制御部（第２制御部）１５ｂと、燃料流入管Ｔ１、燃料流通管Ｔ２，Ｔ３および燃料流出管Ｔ４の各配管とを備えている。
【００３１】
インジェクタ１５の外形を形成する筐体１６において燃料噴射部１５ａには、中空室（第１中空室）１６ａが形成されている。この中空室１６ａは、図３に示すように、大径室１６ａ１と、半球面室１６ａ２と、それらの間の中間室１６ａ３とを有している。大径室１６ａ１の直径は、半球面室１６ａ２の最上部の直径よりも大きい。中間室１６ａ３の壁面は、大径室１６ａ１から半球面室１６ａ２に向かって連続的に小径になるようにテーパ状に形成されている。
【００３２】
この中空室１６ａは、図２〜図４に示すように、筐体１６下端のノズル部１６ｂに穿孔された複数の微細な第１噴孔（第１燃料噴射孔）１６ｃを通じて外部（キャビティ４）と接続されている。なお、ノズル部１６ｂの外形は、例えば半球面状に形成されている。
【００３３】
各第１噴孔１６ｃの開口面の形状（穴形状）は、例えば円形状に形成されている。ここでは、第１噴孔１６ｃが、筐体１６の軸方向に沿って２段に配置されており、その各々の段において筐体１６の軸回りに沿って予め設定された間隔毎に配置されている場合が例示されている。ただし、第１噴孔１６ｃの配置段数は、１段でも良いし、３段以上でも良い。また、１または複数の第１噴孔１６ｃをノズル部１６ｂの先端部（半球面底部）に配置しても良い。
【００３４】
また、図２および図３に示すように、中空室１６ａ内には、スリーブ（第１燃料制御部材）１７が収容されている。このスリーブ１７は、燃料噴射流路の切り替えおよび燃料噴射量の調整を行う制御部材であり、その軸を筐体１６の軸と一致させた状態で、かつ、スリーブ１７の軸回りの回動および軸方向（上下方向）の移動が可能な状態で中空室１６ａ内に収容されている。
【００３５】
このスリーブ１７にはその軸に沿って延在するように中空室（第２中空室）１７ａが形成されている。この中空室１７ａは、図３に示すように、大径室１７ａ１と、小径室１７ａ２と、それらの間の中間室１７ａ３とを有している。大径室１７ａ１の直径は、小径室１７ａ２の直径よりも大きい。中間室１７ａ３の壁面は、大径室１７ａ１から小径室１７ａ２に向かって次第に小径になるようにテーパ状に形成されている。
【００３６】
また、スリーブ１７は、大径部１７ｂ１と、半球面部（小径部）１７ｂ２と、それらの間のテーパ部１７ｂ３とを一体的に有している。大径部１７ｂ１は、中空室１６ａの大径室１６ａ１内に収容されており、大径部１７ｂ１の側壁面は、大径室１６ａ１の壁面に沿うように形成されている。大径部１７ｂ１の直径は、半球面部１７ｂ２の最上部の直径よりも大きい。
【００３７】
スリーブ１７の半球面部１７ｂ２は、半球面室１６ａ２内に収容されており、半球面部１７ｂ２の外形は、半球面室１６ａ２の壁面に沿うように形成されている。この半球面部１７ｂ２には、図２〜図４に示すように、中空室１７ａ（小径室１７ａ２）と中空室１６ａ（半球面室１６ａ２）とを連通する複数の微細な第２噴孔（第２燃料噴射孔）１７ｃが穿孔されている。各第２噴孔１７ｃの開口面の形状（穴形状）は、例えば円形状に形成されている。なお、第２噴孔１７ｃの開口面の形状は円形状に限定されるものではなく種々変更可能である。
【００３８】
この第２噴孔１７ｃは、その出口が、スリーブ１７の回転方向および軸方向の一または複数の位置において、筐体１６の第１噴孔１６ｃの入口に対向（一致）するように設けられている。そして、スリーブ１７の回動および軸方向移動により、第１噴孔１６ｃの入口と第２噴孔１７ｃの出口とが対向（一致）することで燃料噴射流路が形成される。これにより、燃料流通管Ｔ２を通じて燃料噴射部１５ａに供給された燃料は、スリーブ１７の大径室１７ａ１から小径室１７ａ２に流れ、第２噴孔１７ｃおよび第１噴孔１６ｃを通じてキャビティ４に噴射される。
【００３９】
この第２噴孔１７ｃは、例えば、第１噴孔１６ｃに合わせて、スリーブ１７の軸方向に沿って２段になって配置されており、その各々の段においてスリーブ１７の軸回りに沿って予め設定された間隔毎に配置されている。なお、第２噴孔１７ｃの配置段数は、１段でも良いし、３段以上でも良い。また、１または複数の第２噴孔１７ｃを半球面部１７ｂ２の先端部（半球面底部）に配置しても良い。
【００４０】
また、ここでは、スリーブ１７の位置（回転方向または軸方向の位置）に応じて、複数の第１噴孔１６ｃのうちの１または複数の所望の第１噴孔１６ｃを選択することが可能な構成が例示されている。すなわち、スリーブ１７の所望の位置において、複数の第１噴孔１６ｃのうちの所望の第１噴孔１６ｃと、第２噴孔１７ｃとは対向（一致）するが、所望しない第１噴孔１６ｃには、第２噴孔１７ｃが対向（一致）しないようになっている。これにより、スリーブ１７の位置を制御することにより、キャビティ４の面内および深さ方向における燃料噴射位置を制御することができる。したがって、キャビティ４内において燃焼に最適な位置に燃料の噴霧（燃料分布）を形成することができる。
【００４１】
特許文献１，２のインジェクタの場合、燃料噴射位置は固定である。また、特許文献３〜６のインジェクタの場合、インジェクタの軸方向の燃料噴射位置は選択することはできる。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、例えばインジェクタ１５の軸方向のみならず、軸回り方向における燃料噴射位置をも選択することができるので、特許文献１〜６の場合よりも燃料噴射位置をより精細に設定することができる。
【００４２】
また、特許文献７のインジェクタの場合、微細なニードルの先端のロータリバルブに燃料噴射位置を制御するための溝や孔を形成しているので、その溝や孔を多く配置するには加工精度や強度確保の観点から難しい。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、燃料噴射位置を制御する第２噴孔１７ｃをスリーブ１７に形成しているので、特許文献７の場合よりもインジェクタ１５の軸方向および軸回り方向の両方（特に軸方向）においてより多くの第２噴孔１７ｃを配置できる。このため、特許文献７の場合よりも燃料噴射位置をより精細に設定することができる。
【００４３】
なお、第２噴孔１７ｃの直径は、第１噴孔１６ｃの直径と同じである。ただし、第１、第２噴孔１６ｃ，１７ｃのいずれか一方の直径を他方の直径よりも大きくしても良い。また、第１噴孔１６ｃの入口部分の直径を第２噴孔１７ｃの出口部分の直径よりも部分的に大きくしても良いし、その逆でも良い。このように直径（対向する開口面積）を変えることにより、第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００４４】
また、上記したスリーブ１７のテーパ部１７ｂ３は、大径部１７ｂ１から半球面部１７ｂ２に向かって連続的に小径になるように、また、中空室１６ａの中間室１６ａ３の壁面（テーパ面）に沿うようにテーパ状に形成されている。
【００４５】
このスリーブ１７のテーパ部１７ｂ３のテーパ面（第１シール面）と、中空室１６ａの中間室１６ａ３のテーパ面（第２シール面）とは、スリーブ１７の壁面と中空室１６ａの壁面との間の燃料が第１噴孔１６ｃから漏れるのを抑制または防止するためのシール部を構成する部分であり、そのシール部は、スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３のテーパ面が、中空室１６ａの中間室１６ａ３の壁面のテーパ面に当てられた状態で接触することで形成される。
【００４６】
ここで、図２３に特許文献６のインジェクタ５０Ａの燃料の漏れ防止のためのシール部の構成を例示する。この図２３はインジェクタ５０Ａの筐体５１に穿孔された噴孔５２の配置部分の拡大断面図を示している。
【００４７】
特許文献６では、噴孔５２でのシール部５３ａ〜５３ｃをニードル５４（インナーニードル５４ａやアウターニードル５４ｂ）自体で形成する構成になっている。この場合、例えば１つのアウターニードル５４ｂで１つの噴孔５２の上下２箇所のシール部５３ａ，５３ｂを形成する必要があるが、微細なアウターニードル５４ｂの先端面を双方のシール部５３ａ，５３ｂに充分なシール性を持たせるように加工することは極めて難しい。
【００４８】
また、図２４は図２３のアウターニードル５４ｂの部分拡大断面図を示している。アウターニードル５４ｂの先端は細く鋭角に形成されているので、作動負荷によって欠け易いが、アウターニードル５４ｂの先端部が破線で示すように少しでも欠けると、図２３で示したシール部５３ａ，５３ｂの領域が少なくなる結果、燃料が噴孔５２からキャビティ４に漏れ易くなる。
【００４９】
これらの結果、特許文献６では、燃料漏れを防止するために新たな構成が必要になり、インジェクタの構造が複雑になる場合もある。なお、特許文献３〜５には、図２３および図２４は図示されていないが、特許文献３〜５のインジェクタも特許文献６と同様に２つのニードルを持つ構造なので同様の問題が生じることが想定される。
【００５０】
これに対して第１の実施の形態のインジェクタ１５では、図３等に示すように、スリーブ１７の第１シール面（テーパ部１７ｂ３のテーパ面）および中空室１６ａの第２シール面（中空室１６ａ３のテーパ面）が、複数の第１噴孔１６ｃの配置面から離れて配置されており、シール部の加工条件が第１噴孔１６ｃに左右されることがないので、シール部の加工精度を緩和することができるとともに、シール部の領域を特許文献３〜６に比べて大きく確保することができる。このため、シール部の加工を容易にすることができる。また、第１シール面および第２シール面の一部が多少欠けたとしてもシール性が低下することもない。これらの結果、第１噴孔１６ｃからキャビティ４への燃料漏れを抑制または防止することができる。また、このシール部は、構成が簡単であり、シール部を設けたとしてもインジェクタ１５の構成が複雑になることもない。
【００５１】
このようなスリーブ１７の上面と中空室１６ａの天井面との間には、スリーブ１７の駆動を制御するスリーブ制御部（第１制御部）１８が設置されている。スリーブ制御部１８は、図３に示すように、例えばソレノイド１８ａと、その外周側に設置された超音波モータ１８ｂと、バネ１８ｃとを有している。
【００５２】
ソレノイド１８ａは、スリーブ１７の軸方向（矢印Ｐ１の方向）の移動を制御する制御部であり、コイル部１８ａ１と鉄心部１８ａ２とを有している。コイル部１８ａ１は、中空室１６ａの天井面においてスリーブ１７の上面外周に沿ってリング状に配置されている。また、鉄心部１８ａ２は、スリーブ１７の上面においてコイル部１８ａ１に対向する位置にリング状に設置されている。鉄心部１８ａ２に代えて磁石を用いても良い。
【００５３】
また、超音波モータ１８ｂは、スリーブ１７の軸回り（矢印Ｐ２の方向）の回動を制御する制御部であり、ステータ部１８ｂ１と、ロータ部１８ｂ２とを有している。ステータ部１８ｂ１は、中空室１６ａの天井面においてコイル部１８ａ１の外周に沿ってリング状に設置されている。また、ロータ部１８ｂ２は、スリーブ１７の上面においてステータ部１８ｂ１に対向する位置にリング状に設置されている。なお、ソレノイド１８ａと、超音波モータ１８ｂとの配置は逆でも良い。
【００５４】
また、バネ１８ｃは、スリーブ１７上面と中空室１６ａの天井面との間にニードル１９を取り囲むように配置されている。このバネ１８ｃは、スリーブ１７を下方（中空室１６ａの第１噴孔１６ｃの配置面側）に付勢するように設定されており、このバネ１８ｃにより非動作時におけるスリーブ１７と中空室１６ａの天井面と距離が適切な距離に保たれている。
【００５５】
また、スリーブ１７とスリーブ制御部１８との相対的な位置ずれを防止するための位置ずれ防止機構を設けても良い。図５および図６にスリーブ１７の位置ずれ防止機構部の一例の拡大断面図を示す。
【００５６】
図５に示すように、ソレノイド１８ａのコイル部１８ａ１の外囲部には上方（スリーブ１７の軸方向）に凹む溝２５ａが形成されている。一方、鉄心部１８ａ２において溝２５ａの対向位置には、上方（スリーブ１７の軸方向）に突出する突起２６ａが形成されている。この突起２６ａは溝２５ａ内に嵌められている。これにより、スリーブ１７が、その軸に直交する方向にずれないようにすることができる。したがって、スリーブ１７の軸に直交する方向におけるスリーブ１７とスリーブ制御部１８との相対位置関係を常に良好な状態に保つことができる。
【００５７】
また、図６では、ソレノイド１８ａのコイル部１８ａ１の外囲部の溝２５ｂと、これに嵌合されるスリーブ１７側の突起部２６ｂとが鍵状に形成されており、溝２５ｂ内に突起部２６ｂが噛み合うよう収まっている。これにより、スリーブ１７の軸に直交する方向におけるスリーブ１７とスリーブ制御部１８との相対位置関係を常に良好に保つことができる上、スリーブ１７の軸方向の移動も制限することができるので、スリーブ１７の軸方向におけるスリーブ１７とスリーブ制御部１８との対向距離関係をも常に良好に保つことができる。
【００５８】
また、図７および図８にスリーブ制御部１８の他の例を示す。図７はスリーブ制御部１８の断面図、図８はスリーブ１７の軸回り回動制御部を抜き出した斜視図を示している。
【００５９】
ここでは、スリーブ１７の軸回りの回動制御部を超音波モータに代えて電動モータ１８ｍとした場合が例示されている。すなわち、スリーブ１７の上面には歯車付きの台座１８ｄがスリーブ１７の外周に沿ってリング状に配置されている。この歯車付きの台座１８ｄは、歯車１８ｅ１，１８ｅ２を介して電動モータ１８ｍによって回転駆動されるようになっている。なお、電動モータ１８ｍの数は１個に限定されるものではなく複数設けても良い。また、この場合も図５および図６で示したスリーブ１７の位置ずれ防止機構を設けても良い。
【００６０】
一方、図２および図３に示すように、スリーブ１７の中空室１７ａ（大径室１７ａ１）内には、ニードル（第２燃料制御部材、針弁）１９が、その軸を筐体１６およびスリーブ１７の軸と一致させた状態で、ニードル１９の軸方向（上下方向、矢印Ｐ１の方向）に移動可能な状態で収容されている。
【００６１】
このニードル１９は、図３に示す中空室１７ａの小径室１７ａ２内への燃料の供給を制御する部材である。ニードル１９は、円柱状に形成されており、その直径は、大径室１７ａ１よりは小さいが、小径室１７ａ２よりは大きい。
【００６２】
ニードル１９において中間室１７ａ３の壁面に対向する先端部には、中間室１７ａ３の壁面の傾斜に合うようにテーパが形成されている。このニードル１９の先端部が、中間室１７ａ３の壁面に接している状態が閉弁状態であり、中間室１７ａ３の壁面から離れている状態が開弁状態である。
【００６３】
このニードル１９の軸方向の移動は、図２および図３に示すニードル制御部１５ｂによって制御されるようになっている。図２には、ニードル制御部１５ｂとして、例えば従来と同様のソレノイドＳを用いた制御部を例示している。
【００６４】
ソレノイドＳは、筐体１６の上部の第１制御室ＦＣＲ１に設置されており、コイル部Ｓ１と、バルブ部Ｓ２と、バネＳ３とを有している。
【００６５】
第１制御室ＦＣＲ１は、燃料流出管Ｔ４に接続されているとともに、燃料流通管Ｔ３を通じて第２制御室ＦＣＲ２に接続されている。この第２制御室ＦＣＲ２には、ピストン部ＰＳおよびバネＳＲが設置されている。ピストン部ＰＳは、ニードル１９と一体的に接続されている。
【００６６】
また、第１制御室ＦＣＲ１は、オリフィスＯＲの流通路を通じてコマンド室ＣＭＲに接続されている。コマンド室ＣＭＲは、燃料流入管Ｔ１に接続されている。このコマンド室ＣＭＲには、ピストン部ＰＳの上面が、オリフィスＯＲに対応した状態で面している。
【００６７】
このようなニードル制御部１５ｂは、電子制御ユニット（Engine Control Unit：以下、ＥＣＵと略す）に電気的に接続されており、その動作（リフト量）がＥＣＵにより制御される。なお、ニードル制御部１５ｂはソレノイドを用いた構成に限定されるものではなく、例えばピエゾアクチュエータ（圧電素子）を用いても良い。
【００６８】
ここで、図２５に比較のため従来の一般的なインジェクタ５０Ｂを示す。図２および図２５に示すように、第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、スリーブ１７を設けたことにより、ニードル１９およびニードル制御部１５ｂとして、図２５に示す従来の一般的なインジェクタ５０Ｂのニードル５５およびニードル制御部５６を使用することができる。
【００６９】
特許文献３〜７の場合は、ニードルおよびニードル制御部が一般的なものとは異なる上、その構造や制御方法が複雑になる。また、上記の燃料漏れ等の観点からニードルに高い加工精度および位置合わせ精度が要求される。
【００７０】
これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５では、ニードル１９およびニードル制御部１５ｂ自体は一般的なものを使用できる上、ニードル１９およびニードル制御部１５ｂとは別個にスリーブ１７とスリーブ制御部１８を設置するだけであり、しかもスリーブ１７には上記のように高い加工精度や位置合わせ精度も要求されないので、比較的簡単な構造でインジェクタ１５の燃料噴射の制御性を向上させることができる。
【００７１】
また、特許文献７の場合、例えばニードルが中空筒状に形成されておりニードルの強度が低下している。すなわち、１つのニードルに開閉弁の機能と燃料噴射制御の機能とを持たせていることによりニードルの強度が弱くなっている。
【００７２】
これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５では、ニードル１９自体は一般的なものを使用できるので、ニードル１９の強度を確保でき、その変形や損傷を低減できる。したがって、インジェクタ１５の寿命や信頼性の低下を招くことなく、インジェクタ１５の燃料噴射の制御性を向上させることができる。
【００７３】
図２および図３に示す燃料流通管Ｔ２は、燃料流入管Ｔ１から供給された燃料を燃料噴射部１５ａに供給する通路であり、上記した中空室１６ａに接続され、さらにスリーブ１７に形成された燃料供給通路１７ｄを通じて中空室１７ａ（大径室１７ａ１）に接続されている。
【００７４】
次に、燃料噴射量、燃料噴射位置および燃料噴射形状（分布）の制御の一例について図９〜図１４を参照しながら説明する。
【００７５】
図９および図１１は第１の実施の形態のインジェクタ１５の筐体１６の第１噴孔１６ｃとスリーブ１７の第２噴孔１７ｃとの対向状態を模式的に示したインジェクタ１５の要部斜視図を示し、図１０および図１２はそれぞれ図９および図１１の第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの対向状態の平面図を示している。
【００７６】
第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合、スリーブ１７の軸回り回動または軸方向移動により燃料噴射流路を形成する。このスリーブ１７の回転角度は微小な角度で高精細に設定することができる。このため、スリーブ１７の回転角度の微小な変更により第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの開口面の対向状態を連続的に変えることができ、燃料噴射流路の断面積を連続的に変えることができる。あるいは、燃料噴射のたびにスリーブ１７を回転させることで噴射毎の噴射量を変化させることもできる。
【００７７】
例えば図１０は、第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとがほぼ完全に一致している場合で燃料噴射流路の断面積が最も大きい。図１２は、第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの重なりが図１０の場合よりも小さい場合で燃料噴射流路の断面積も図１０の場合よりも小さい。
【００７８】
このように第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、スリーブ１７の回転角度を微調整することにより、燃料噴射量を高精細な精度で増減することができる。また、上記した燃料噴射位置の制御との組み合わせにより、燃料噴射形状（燃料噴射分布）を高精細な精度で設定することができる。
【００７９】
また、燃料噴射量をニードルの上下量や開弁時間により制御していた従来のインジェクタの場合、燃料噴射流路の一部が閉塞した場合、燃料噴射量が一定になってしまう問題がある。すなわち、燃料の噴射が高圧になると、燃料噴射流路内で液体が音速に達し、それ以上加速されない、いわゆる閉塞という現象が生じ、それ以上の噴射流量にならないという問題がある。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、燃料噴射流路の一部が閉塞した場合、燃料噴射流路の断面積（穴径）を変える（大径にする）ことで燃料噴射量を変えることができるので、上記のような問題を回避することができる。
【００８０】
また、スリーブ１７の回転時には、スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３を中間室１６ａ３の壁面に押し付けた状態で回転させることにより、スリーブ１７の回転時の燃料漏れを抑制または防止することができる。
【００８１】
図１３は第１の実施の形態のインジェクタ１５の燃料噴射量の変化を模式的に示したものである。また、図１４は比較のため燃料噴射流路の断面積（穴径）が一定で１つのニードルのリフト量で燃料噴射量を決定する従来のインジェクタの燃料噴射量の変化を模式的に示したものである。
【００８２】
燃料噴射量をニードルのリフト量によって決定する従来のインジェクタの場合は燃料噴射量が図１４に示すように変化する。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合、上記のように燃料流路の断面積（穴径）を変化させるとともに、さらにニードル１９のリフト量を変化させることで燃料噴射量を決定する。これにより、燃料噴射量や燃料噴射形状（分布）をより精細に設定することができる。また、図１３に示すように、燃料噴射量を非線形に変化させることができる。このため、燃料流量の立ち上がりを急峻にすることにより、燃料流量を燃焼に必要な量に、より短期間で設定することができる。すなわち、燃料噴射の応答性を向上させることができる。
【００８３】
また、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、燃料流路の断面積（穴径）を変化させるとともに、さらにニードル１９のリフト量を変化させることで燃料噴射量を決定するので、特許文献７の場合に比べて燃料噴射流量および燃料噴射形状（分布）の制御性を向上させることができる。また、燃料流量の立ち上がりを急峻にすることができ、特許文献７の場合よりも燃料噴射の応答性を向上させることができる。
【００８４】
また、特許文献７の場合、ニードルに溝や孔を形成するので、ニードルの精密な加工が必要である。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合、スリーブ１７自体を単独で製造でき、上記のようにニードル１９の精密な加工を必要としないので、インジェクタ１５の量産性を向上させることができる。
【００８５】
さらに、特許文献１〜７のインジェクタでは、バネ等の使用が多く機械的に複雑で制御も複雑になるのに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、構造を比較的簡単化することができ、制御も比較的容易にすることができる。特に、スリーブ１７とニードル１９とを分けていることにより、各々を別々に制御できるので、制御を容易にでき、燃料噴射の制御性を向上させることができる。
【００８６】
次に、インジェクタ１５による燃料噴射形状（分布）の一例について図１５〜図１８を参照しながら説明する。
【００８７】
図１５および図１６はインジェクタ１５を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料Ｆの状態を模式的に示している。図１５は燃料噴射時、図１６は燃料噴射後の燃料Ｆの状態を示している。
【００８８】
均質燃焼時には燃料Ｆの噴霧が比較的広い範囲に亘ってキャビティ４内に分布している。均質燃焼は、高負荷燃焼時や予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition:以下、ＨＣＣＩという）燃焼時に有効である。
【００８９】
ＨＣＣＩ燃焼は、燃料と空気とを予め混合させた均一で希薄な混合気を圧縮し、自着火させる燃焼方法である。ＨＣＣＩ燃焼の場合、均一な混合気を燃焼させることから黒煙の発生を低減できる。また、希薄な混合気であることから燃焼温度を低くすることができ窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減できる。さらに、圧縮比を高くできるので、高い効率を得ることができる。
【００９０】
しかし、ＨＣＣＩ燃焼の場合、燃料が希薄なため失火あるいは過早着火の恐れがあり、また、運転領域が狭いという問題がある。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、キャビティ４内に燃料過濃度領域と燃料希薄領域とを形成することにより、燃料を確実に着火することができ、かつ、キャビティ４内全体では希薄混合気になるような燃料濃度分布を生成することができる。これにより、失火の問題を回避でき、また、運転領域を拡大することができる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼による低ＮＯｘで、かつ、低ＰＭ（Particulate Matter）での燃焼を実現することができる。
【００９１】
図１７および図１８はインジェクタ１５を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料Ｆの状態を模式的に示している。図１７は燃料噴射時、図１８は燃料噴射後の燃料Ｆの状態を示している。
【００９２】
成層燃焼時には、燃料Ｆの噴霧がキャビティ４の上層部に分布している。成層燃焼は、軽負荷時に有効である。第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、スリーブ１７およびニードル１９の制御により、均質燃焼のための燃料噴射形状（分布）から成層燃焼のための燃料噴射形状（分布）に交互に切り替えることができる。
【００９３】
第２の実施の形態のインジェクタ
図１９は第２の実施の形態におけるインジェクタ１５の燃料噴射部を模式的に示し、図２０は図１９のインジェクタ１５の燃料噴射部の筐体１６およびスリーブ１７を抜き出して示している。なお、図１９および図２０では説明を分かり易くするためにインジェクタ１５の内部を透かして見せている。
【００９４】
第２の実施の形態のインジェクタ１５においては、スリーブ１７の下部と、その周囲の中空室１６ａの形状が円錐台形状に形成されている。すなわち、スリーブ１７の下部には、半球面部１７ｂ２に代えて円錐台形部（小径部）１７ｂ４が形成されている。また、中空室１６ａの下部には、半球面室１６ａ２に代えて円錐台形室１６ａ４が形成されている。そして、このスリーブ１７の円錐台形部１７ｂ４の壁面と、これに対向する中空室１６ａの円錐台形室１６ａ４の壁面とが互いに沿うように直線状（平坦）に形成されている。これにより、スリーブ１７を中空室１６ａの壁面に押し当てた時にスリーブ１７の壁面と中空室１６ａの壁面との密着性を向上させることができるので、上記した燃料のシール性を向上させることができる。これ以外の構成は前記実施の形態１で説明したのと同じである。
【００９５】
次に、第２の実施の形態のスリーブ１７の回転制御方法について図２１および図２２を参照しながら説明する。
【００９６】
図２１は燃料噴射時のインジェクタ１５の要部の状態を模式的に示している。この図２１では、筐体１６のノズル部１６ｂの所望の第１噴孔１６ｃと、スリーブ１７の円錐台形部１７ｂ４の所望の第２噴孔１７ｃとが一致している段階が示されている。燃料はこの状態で噴射される。
【００９７】
続いて、図２２は燃料噴射停止時のインジェクタ１５の要部の状態を模式的に示している。ここでは、スリーブ１７およびニードル１９を矢印Ｐ３に示す軸方向に若干下降する。これにより、スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３を中間室１６ａ３の壁面に押し付け、燃料漏れを抑制または防止する。また、ニードル１９の先端を中間室１７ｂ３の傾斜面に押し付け、燃料の噴射を停止する。
【００９８】
この時、第２の実施の形態のインジェクタ１５では、上記したようにスリーブ１７の円錐台形部１７ｂ４の壁面と、これに対向する中空室１６ａの円錐台形室１６ａ４の壁面とが互いに沿うように直線状（平坦）に形成されていることにより、スリーブ１７を下降してスリーブ１７の壁面を中空室１６ａの壁面に押し当てた時に円錐台形部１７ｂ４の壁面と円錐台形室１６ａ４の壁面との密着性を向上させることができるので、燃料のシール性を向上させることができる。なお、これ以外の効果は前記第１の実施の形態で説明したのと同じである。
【００９９】
その後、上記状態（スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３を中間室１６ａ３の壁面に押し付け、また、ニードル１９の先端を中間室１７ａ３の傾斜面に押し付けた状態）を維持したまま、スリーブ１７を矢印Ｐ４に示す方向に予め設定された角度だけ回転し、所望の第１噴孔１６ｃと所望の第２噴孔１７ｃとが離れたところで回転を停止することにより、燃料噴射停止動作を終了する。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関は、燃料噴射装置の筐体内に収容された第１燃料制御部材の軸回りの回動および軸方向の移動により燃料噴射を制御することにより、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができるので、自動車等の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ シリンダ（気筒）
４ キャビティ（燃焼室）
１５ インジェクタ（燃料噴射装置）
１５ａ 燃料噴射部
１５ｂ ニードル制御部（第２制御部）
１６ 筐体
１６ａ 中空室
１６ａ１ 大径室
１６ａ２ 半球面室（小径室）
１６ａ３ 中間室
１６ａ４ 円錐台形室（小径室）
１６ｂ ノズル部
１６ｃ 第１噴孔（第１燃料噴射孔）
１７ スリーブ（第１燃料制御部材）
１７ａ 中空室
１７ｂ１ 大径部
１７ｂ２ 半球面部（小径部）
１７ｂ３ テーパ部
１７ｂ４ 円錐台形部
１７ｃ 第２噴孔（第２燃料噴射孔）
１７ｄ 燃料供給通路
１８ スリーブ制御部（第１制御部）
１８ａ ソレノイド
１８ａ１ コイル部
１８ａ２ 鉄心部
１８ｂ 超音波モータ
１８ｂ１ ステータ部
１８ｂ２ ロータ部
１８ｃ バネ
１８ｄ 台座
１８ｅ１，１８ｅ２ 歯車
１８ｍ 電動モータ
１９ ニードル（第２燃料制御部材）
２５ａ，２５ｂ 溝
２６ａ，２６ｂ 突起
Ｓ ソレノイド
Ｓ１ コイル部
Ｓ２ バルブ部
Ｓ３ バネ
ＯＲ オリフィス
ＳＲ バネ
Ｔ１ 燃料流入管
Ｔ２，Ｔ３ 燃料流通管
Ｔ４ 燃料流出管
ＦＣＲ１ 第１制御室
ＦＣＲ２ 第２制御室
ＣＭＲ コマンド室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に関し、更に詳しくは、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることが可能な燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて、熱効率が良く、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量が少ないので、地球温暖化や石油枯渇問題の観点から有利である。また、近年のコモンレール式の燃料噴射装置の採用により、燃料を微粒化でき、燃料を燃焼期間中に完全に燃焼させることができるので、黒煙や未燃炭化水素等の排出量の低減も実現されている。
【０００３】
また、黒煙、未燃炭化水素および窒素酸化物（ＮＯｘ）のような排出ガスの低減や燃料消費率の低減を達成するための燃焼最適化の観点から、燃料の噴霧形状（分布）や噴射量等を負荷に応じて変化させることが重要視されており、種々の技術が提案されている。例えばニードルの上下量やニードル上昇による開弁時間を制御することにより、燃料噴射量を制御することが行われている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００４】
また、例えば燃料噴射装置内に軸を同一にして２つのニードルを配置し、この２つのニードルの軸方向の移動に応じて複数の噴孔を順に開放することで、燃料噴射率を変えることが行われている（例えば特許文献３〜６参照）。
【０００５】
また、例えば外周に溝または孔が形成されたロータリバルブをニードルの先端に設け、そのロータリバルブを回転させることで噴孔の面積を連続的に変えて燃料噴射量を制御することが行われている（例えば特許文献７参照）。
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１〜７においては、燃料の噴射位置、噴射形状（分布）、噴射量または応答性等のような燃料噴射の制御性の上で充分とは言えない、という問題がある。
【０００７】
例えば特許文献１〜６では、さらに噴孔やニードルを増やすには限界があり、燃料噴射形状や燃料噴射量をさらに精細に制御することができない。また、燃料噴射流路の一部が閉塞すると流量が一定になってしまう問題もある。
【０００８】
また、上記した特許文献７では、微細なニードルの先端部分に配置されたロータリバルブに燃料噴射形状や燃料噴射量を制御するための溝や孔を形成しているが、その溝や孔を多く配置するには加工精度や強度確保の観点から難しいため、燃料噴射形状や燃料噴射量をさらに精細に制御することが難しい。
【０００９】
また、特許文献３〜６ではニードルを２つ配置し、特許文献７ではニードルの先端部分のロータリバルブに溝や孔を配置するなど、いずれもニードルが一般的なものと異なり構造が複雑になる上、そのためにニードルの駆動制御が複雑になる問題や強度が低下する問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１７６６５７号公報
【特許文献２】特開２００７−０３２２７６号公報
【特許文献３】特開２００６−１０５０６７号公報
【特許文献４】特開２００７−２２４８９６号公報
【特許文献５】特開２００８−３８７６１号公報
【特許文献６】特開２００７−２１８１７５号公報
【特許文献７】特開平１０−１８４４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができる燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明の燃料噴射装置は、第１中空室を有し、かつ、前記第１中空室と外部とを連通する第１燃料噴射孔を有する筐体を装置本体に備え、前記装置本体に供給された燃料を、前記筐体の前記第１燃料噴射孔から内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、前記第１中空室に、軸回りの回動および軸方向の移動が可能な状態で収容され、かつ、第２中空室を有する第１燃料制御部材と、前記第１燃料制御部材の回動および移動を制御する第１制御部と、前記第２中空室内に、軸方向に移動可能な状態で収容され、該軸方向の移動により前記第１燃料噴射孔への燃料の供給を制御する第２燃料制御部材と、前記第２燃料制御部材の軸方向の移動を制御する第２制御部とを備え、前記第１燃料制御部材には、該第１燃料制御部材の外部と前記第２中空室とを連通する第２燃料噴射孔が形成されており、前記第２燃料噴射孔の出口は、前記第１燃料制御部材の一または複数の位置において、前記第１燃料噴射孔の入口に対向するように設けられており、前記第１燃料制御部材の回動および軸方向の移動により、前記第１燃料噴射孔の入口と前記第２燃料噴射孔の出口とを対向させることで燃料噴射流路の形成と、該燃料噴射流路の断面積の変更とを行うものである。
【００１３】
また、上記の燃料噴射装置において、前記第１燃料制御部材の壁面と前記第１中空室の壁面との間の燃料のシール部は、前記第１燃料制御部材において前記第１燃料噴射孔の配置面から離れた位置に配置された第１シール面と、前記第１中空室の壁面において前記第１シール面に対向する第２シール面とを備え、前記第１シール面が、前記第２シール面に当てられた状態で接触することで形成されるものである。
【００１４】
また、上記の燃料噴射装置において、前記第１燃料制御部材の外形は、円錐台形状に形成されており、前記第１燃料制御部材の壁面と、前記第１中空室の壁面とが互いに沿うように形成されているものである。
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記燃料噴射装置を備えるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関によれば、燃料噴射装置の筐体内に収容された第１燃料制御部材の軸回りの回動および軸方向の移動と、第２燃料制御部材の軸方向移動とにより燃料噴射を制御することにより、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができる。したがって、排気ガスを低減することができ、また、燃料消費率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図である。
【図２】図１の内燃機関の第１の実施の形態の燃料噴射装置の一例の全体断面図である。
【図３】図２の燃料噴射装置の燃料噴射部の拡大断面図である。
【図４】図３のＸ１−Ｘ１線の要部断面図である。
【図５】図２および図３のスリーブの位置ずれ防止機構部の拡大断面図である。
【図６】図２および図３のスリーブの位置ずれ防止機構部の他の例の拡大断面図である。
【図７】図２および図３のスリーブ制御部の他の例の拡大断面図である。
【図８】図７のスリーブ制御部の一部を抜き出して示した要部斜視図である。
【図９】図２の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態を模式的に示した燃料噴射装置の要部斜視図である。
【図１０】図９の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態の一例の平面図である。
【図１１】図２の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態を模式的に示した燃料噴射装置の要部斜視図である。
【図１２】図１１の燃料噴射装置の第１噴孔と第２噴孔との対向状態の一例の平面図である。
【図１３】図２の燃料噴射装置の燃料噴射量の変化を模式的に示したグラフ図である。
【図１４】従来のインジェクタの燃料噴射量の変化を模式的に示したグラフ図である。
【図１５】図２の燃料噴射装置を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料噴射時の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１６】図２の燃料噴射装置を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料噴射後の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１７】図２の燃料噴射装置を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料噴射時の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１８】図２の燃料噴射装置を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料噴射後の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態における燃料噴射装置の要部を模式的に示した斜視図である。
【図２０】図１９の一部の構成を抜き出して示した要部斜視図である。
【図２１】図１９の燃料噴射装置の燃料噴射時の要部を模式的に示した斜視図である。
【図２２】図１９の燃料噴射装置の燃料噴射停止時の要部を模式的に示した斜視図である。
【図２３】従来のインジェクタの筐体に穿孔された噴孔の配置部分の拡大断面図である。
【図２４】図２３のインジェクタのアウターニードルの部分拡大断面図である。
【図２５】従来の一般的なインジェクタの全体断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１に本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図を示す。本実施の形態の内燃機関は、例えば、トラックのような自動車に搭載される直列４気筒のコモンレール式のディーゼルエンジン１として構成される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等に適用することもできる。
【００２０】
このディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１は、シリンダ（気筒）２内のピストン３の頂面に凹設されたキャビティ（燃焼室）４内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給して自己着火させ、この時の自己着火による燃焼で生じる膨張ガスによってピストン３を駆動させる構成を有している。
【００２１】
シリンダ２は、ピストン３の往復運動を誘導するとともに燃料ガスを収める円筒状の部品である。シリンダ２の内周面には図示しないライナが形成されている。シリンダ２においてライナの外側の肉厚部にはシリンダ冷却用の冷却媒体が流れる冷却通路２ａが形成されている。
【００２２】
シリンダ２の内部には、ピストン３がシリンダ２の内周面のライナに沿って往復運動が可能な状態で設置されている。このピストン３の下部は、コネクティングロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に接続されている。このクランクシャフトにより、ピストン３の往復運動が回転運動に変換される。なお、図１はピストン３が上死点にある時を示している。
【００２３】
このシリンダ２の上部のシリンダヘッド５には、吸気ポート（吸気口）７および排気ポート（排気口）８が設置されている。吸気ポート７は吸気管９に接続され、排気ポート８は排気管１０に接続されている。
【００２４】
また、吸気ポート７側には吸気用のバルブ１１ａ（１１）が設置され、排気ポート８側には排気用のバルブ１１ｂ（１１）が設置されている。吸気用のバルブ１１ａは吸気ポート７を開閉し、排気用のバルブ１１ｂは排気ポート８を開閉する。
【００２５】
吸排気用のバルブ１１（１１ａ，１１ｂ）が図１の下方向に移動した時は開弁方向であり、図１の上方向に移動した時は閉弁方向である。これらの吸排気用のバルブ１１（１１ａ，１１ｂ）は、それぞれを駆動する可変動弁機構部（駆動装置）１２（１２ａ，１２ｂ）に機械的に接続されている。
【００２６】
また、シリンダヘッド５の吸気ポート７と排気ポート８との間であって、ピストン３の頂面中央に対向する位置には、燃料をキャビティ４内に直接噴射するためのインジェクタ（燃料噴射装置）１５が設置されている。
【００２７】
このインジェクタ１５には、コモンレール（図示せず）に貯留された高圧燃料が常時供給される。インジェクタ１５においてシリンダ２内に突出されているノズル部には、複数の微細な噴孔が形成されており、その複数の微細な噴孔から燃料が放射状に同時に噴射される。このノズル部先端の各噴孔から噴射される燃料の噴射軸Ｊは、上記した軸心Ｃに対してそれぞれ所定の噴射角度θだけ傾けられている。この噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってシリンダ２内のキャビティ４内に収まる角度に設定されている。
【００２８】
このようなエンジン１は、下記の第１、第２の実施の形態のいずれかのインジェクタ１５を備えて構成される。
【００２９】
まず、第１の実施の形態の燃料噴射装置であるインジェクタ１５について図２〜図４等を参照しながら説明する。なお、図２はインジェクタ１５の一例の全体断面図、図３は図２の燃料噴射部の拡大断面図、図４は図３のＸ１−Ｘ１線の断面図を示している。
【００３０】
図２に示すように、インジェクタ１５は、燃料噴射部１５ａと、ニードル制御部（第２制御部）１５ｂと、燃料流入管Ｔ１、燃料流通管Ｔ２，Ｔ３および燃料流出管Ｔ４の各配管とを備えている。
【００３１】
インジェクタ１５の外形を形成する筐体１６において燃料噴射部１５ａには、中空室（第１中空室）１６ａが形成されている。この中空室１６ａは、図３に示すように、大径室１６ａ１と、半球面室１６ａ２と、それらの間の中間室１６ａ３とを有している。大径室１６ａ１の直径は、半球面室１６ａ２の最上部の直径よりも大きい。中間室１６ａ３の壁面は、大径室１６ａ１から半球面室１６ａ２に向かって連続的に小径になるようにテーパ状に形成されている。
【００３２】
この中空室１６ａは、図２〜図４に示すように、筐体１６下端のノズル部１６ｂに穿孔された複数の微細な第１噴孔（第１燃料噴射孔）１６ｃを通じて外部（キャビティ４）と接続されている。なお、ノズル部１６ｂの外形は、例えば半球面状に形成されている。
【００３３】
各第１噴孔１６ｃの開口面の形状（穴形状）は、例えば円形状に形成されている。ここでは、第１噴孔１６ｃが、筐体１６の軸方向に沿って２段に配置されており、その各々の段において筐体１６の軸回りに沿って予め設定された間隔毎に配置されている場合が例示されている。ただし、第１噴孔１６ｃの配置段数は、１段でも良いし、３段以上でも良い。また、１または複数の第１噴孔１６ｃをノズル部１６ｂの先端部（半球面底部）に配置しても良い。
【００３４】
また、図２および図３に示すように、中空室１６ａ内には、スリーブ（第１燃料制御部材）１７が収容されている。このスリーブ１７は、燃料噴射流路の切り替えおよび燃料噴射量の調整を行う制御部材であり、その軸を筐体１６の軸と一致させた状態で、かつ、スリーブ１７の軸回りの回動および軸方向（上下方向）の移動が可能な状態で中空室１６ａ内に収容されている。
【００３５】
このスリーブ１７にはその軸に沿って延在するように中空室（第２中空室）１７ａが形成されている。この中空室１７ａは、図３に示すように、大径室１７ａ１と、小径室１７ａ２と、それらの間の中間室１７ａ３とを有している。大径室１７ａ１の直径は、小径室１７ａ２の直径よりも大きい。中間室１７ａ３の壁面は、大径室１７ａ１から小径室１７ａ２に向かって次第に小径になるようにテーパ状に形成されている。
【００３６】
また、スリーブ１７は、大径部１７ｂ１と、半球面部（小径部）１７ｂ２と、それらの間のテーパ部１７ｂ３とを一体的に有している。大径部１７ｂ１は、中空室１６ａの大径室１６ａ１内に収容されており、大径部１７ｂ１の側壁面は、大径室１６ａ１の壁面に沿うように形成されている。大径部１７ｂ１の直径は、半球面部１７ｂ２の最上部の直径よりも大きい。
【００３７】
スリーブ１７の半球面部１７ｂ２は、半球面室１６ａ２内に収容されており、半球面部１７ｂ２の外形は、半球面室１６ａ２の壁面に沿うように形成されている。この半球面部１７ｂ２には、図２〜図４に示すように、中空室１７ａ（小径室１７ａ２）と中空室１６ａ（半球面室１６ａ２）とを連通する複数の微細な第２噴孔（第２燃料噴射孔）１７ｃが穿孔されている。各第２噴孔１７ｃの開口面の形状（穴形状）は、例えば円形状に形成されている。なお、第２噴孔１７ｃの開口面の形状は円形状に限定されるものではなく種々変更可能である。
【００３８】
この第２噴孔１７ｃは、その出口が、スリーブ１７の回転方向および軸方向の一または複数の位置において、筐体１６の第１噴孔１６ｃの入口に対向（一致）するように設けられている。そして、スリーブ１７の回動および軸方向移動により、第１噴孔１６ｃの入口と第２噴孔１７ｃの出口とが対向（一致）することで燃料噴射流路が形成される。これにより、燃料流通管Ｔ２を通じて燃料噴射部１５ａに供給された燃料は、スリーブ１７の大径室１７ａ１から小径室１７ａ２に流れ、第２噴孔１７ｃおよび第１噴孔１６ｃを通じてキャビティ４に噴射される。
【００３９】
この第２噴孔１７ｃは、例えば、第１噴孔１６ｃに合わせて、スリーブ１７の軸方向に沿って２段になって配置されており、その各々の段においてスリーブ１７の軸回りに沿って予め設定された間隔毎に配置されている。なお、第２噴孔１７ｃの配置段数は、１段でも良いし、３段以上でも良い。また、１または複数の第２噴孔１７ｃを半球面部１７ｂ２の先端部（半球面底部）に配置しても良い。
【００４０】
また、ここでは、スリーブ１７の位置（回転方向または軸方向の位置）に応じて、複数の第１噴孔１６ｃのうちの１または複数の所望の第１噴孔１６ｃを選択することが可能な構成が例示されている。すなわち、スリーブ１７の所望の位置において、複数の第１噴孔１６ｃのうちの所望の第１噴孔１６ｃと、第２噴孔１７ｃとは対向（一致）するが、所望しない第１噴孔１６ｃには、第２噴孔１７ｃが対向（一致）しないようになっている。これにより、スリーブ１７の位置を制御することにより、キャビティ４の面内および深さ方向における燃料噴射位置を制御することができる。したがって、キャビティ４内において燃焼に最適な位置に燃料の噴霧（燃料分布）を形成することができる。
【００４１】
特許文献１，２のインジェクタの場合、燃料噴射位置は固定である。また、特許文献３〜６のインジェクタの場合、インジェクタの軸方向の燃料噴射位置は選択することはできる。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、例えばインジェクタ１５の軸方向のみならず、軸回り方向における燃料噴射位置をも選択することができるので、特許文献１〜６の場合よりも燃料噴射位置をより精細に設定することができる。
【００４２】
また、特許文献７のインジェクタの場合、微細なニードルの先端のロータリバルブに燃料噴射位置を制御するための溝や孔を形成しているので、その溝や孔を多く配置するには加工精度や強度確保の観点から難しい。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、燃料噴射位置を制御する第２噴孔１７ｃをスリーブ１７に形成しているので、特許文献７の場合よりもインジェクタ１５の軸方向および軸回り方向の両方（特に軸方向）においてより多くの第２噴孔１７ｃを配置できる。このため、特許文献７の場合よりも燃料噴射位置をより精細に設定することができる。
【００４３】
なお、第２噴孔１７ｃの直径は、第１噴孔１６ｃの直径と同じである。ただし、第１、第２噴孔１６ｃ，１７ｃのいずれか一方の直径を他方の直径よりも大きくしても良い。また、第１噴孔１６ｃの入口部分の直径を第２噴孔１７ｃの出口部分の直径よりも部分的に大きくしても良いし、その逆でも良い。このように直径（対向する開口面積）を変えることにより、第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００４４】
また、上記したスリーブ１７のテーパ部１７ｂ３は、大径部１７ｂ１から半球面部１７ｂ２に向かって連続的に小径になるように、また、中空室１６ａの中間室１６ａ３の壁面（テーパ面）に沿うようにテーパ状に形成されている。
【００４５】
このスリーブ１７のテーパ部１７ｂ３のテーパ面（第１シール面）と、中空室１６ａの中間室１６ａ３のテーパ面（第２シール面）とは、スリーブ１７の壁面と中空室１６ａの壁面との間の燃料が第１噴孔１６ｃから漏れるのを抑制または防止するためのシール部を構成する部分であり、そのシール部は、スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３のテーパ面が、中空室１６ａの中間室１６ａ３の壁面のテーパ面に当てられた状態で接触することで形成される。
【００４６】
ここで、図２３に特許文献６のインジェクタ５０Ａの燃料の漏れ防止のためのシール部の構成を例示する。この図２３はインジェクタ５０Ａの筐体５１に穿孔された噴孔５２の配置部分の拡大断面図を示している。
【００４７】
特許文献６では、噴孔５２でのシール部５３ａ〜５３ｃをニードル５４（インナーニードル５４ａやアウターニードル５４ｂ）自体で形成する構成になっている。この場合、例えば１つのアウターニードル５４ｂで１つの噴孔５２の上下２箇所のシール部５３ａ，５３ｂを形成する必要があるが、微細なアウターニードル５４ｂの先端面を双方のシール部５３ａ，５３ｂに充分なシール性を持たせるように加工することは極めて難しい。
【００４８】
また、図２４は図２３のアウターニードル５４ｂの部分拡大断面図を示している。アウターニードル５４ｂの先端は細く鋭角に形成されているので、作動負荷によって欠け易いが、アウターニードル５４ｂの先端部が破線で示すように少しでも欠けると、図２３で示したシール部５３ａ，５３ｂの領域が少なくなる結果、燃料が噴孔５２からキャビティ４に漏れ易くなる。
【００４９】
これらの結果、特許文献６では、燃料漏れを防止するために新たな構成が必要になり、インジェクタの構造が複雑になる場合もある。なお、特許文献３〜５には、図２３および図２４は図示されていないが、特許文献３〜５のインジェクタも特許文献６と同様に２つのニードルを持つ構造なので同様の問題が生じることが想定される。
【００５０】
これに対して第１の実施の形態のインジェクタ１５では、図３等に示すように、スリーブ１７の第１シール面（テーパ部１７ｂ３のテーパ面）および中空室１６ａの第２シール面（中空室１６ａ３のテーパ面）が、複数の第１噴孔１６ｃの配置面から離れて配置されており、シール部の加工条件が第１噴孔１６ｃに左右されることがないので、シール部の加工精度を緩和することができるとともに、シール部の領域を特許文献３〜６に比べて大きく確保することができる。このため、シール部の加工を容易にすることができる。また、第１シール面および第２シール面の一部が多少欠けたとしてもシール性が低下することもない。これらの結果、第１噴孔１６ｃからキャビティ４への燃料漏れを抑制または防止することができる。また、このシール部は、構成が簡単であり、シール部を設けたとしてもインジェクタ１５の構成が複雑になることもない。
【００５１】
このようなスリーブ１７の上面と中空室１６ａの天井面との間には、スリーブ１７の駆動を制御するスリーブ制御部（第１制御部）１８が設置されている。スリーブ制御部１８は、図３に示すように、例えばソレノイド１８ａと、その外周側に設置された超音波モータ１８ｂと、バネ１８ｃとを有している。
【００５２】
ソレノイド１８ａは、スリーブ１７の軸方向（矢印Ｐ１の方向）の移動を制御する制御部であり、コイル部１８ａ１と鉄心部１８ａ２とを有している。コイル部１８ａ１は、中空室１６ａの天井面においてスリーブ１７の上面外周に沿ってリング状に配置されている。また、鉄心部１８ａ２は、スリーブ１７の上面においてコイル部１８ａ１に対向する位置にリング状に設置されている。鉄心部１８ａ２に代えて磁石を用いても良い。
【００５３】
また、超音波モータ１８ｂは、スリーブ１７の軸回り（矢印Ｐ２の方向）の回動を制御する制御部であり、ステータ部１８ｂ１と、ロータ部１８ｂ２とを有している。ステータ部１８ｂ１は、中空室１６ａの天井面においてコイル部１８ａ１の外周に沿ってリング状に設置されている。また、ロータ部１８ｂ２は、スリーブ１７の上面においてステータ部１８ｂ１に対向する位置にリング状に設置されている。なお、ソレノイド１８ａと、超音波モータ１８ｂとの配置は逆でも良い。
【００５４】
また、バネ１８ｃは、スリーブ１７上面と中空室１６ａの天井面との間にニードル１９を取り囲むように配置されている。このバネ１８ｃは、スリーブ１７を下方（中空室１６ａの第１噴孔１６ｃの配置面側）に付勢するように設定されており、このバネ１８ｃにより非動作時におけるスリーブ１７と中空室１６ａの天井面と距離が適切な距離に保たれている。
【００５５】
また、スリーブ１７とスリーブ制御部１８との相対的な位置ずれを防止するための位置ずれ防止機構を設けても良い。図５および図６にスリーブ１７の位置ずれ防止機構部の一例の拡大断面図を示す。
【００５６】
図５に示すように、ソレノイド１８ａのコイル部１８ａ１の外囲部には上方（スリーブ１７の軸方向）に凹む溝２５ａが形成されている。一方、鉄心部１８ａ２において溝２５ａの対向位置には、上方（スリーブ１７の軸方向）に突出する突起２６ａが形成されている。この突起２６ａは溝２５ａ内に嵌められている。これにより、スリーブ１７が、その軸に直交する方向にずれないようにすることができる。したがって、スリーブ１７の軸に直交する方向におけるスリーブ１７とスリーブ制御部１８との相対位置関係を常に良好な状態に保つことができる。
【００５７】
また、図６では、ソレノイド１８ａのコイル部１８ａ１の外囲部の溝２５ｂと、これに嵌合されるスリーブ１７側の突起部２６ｂとが鍵状に形成されており、溝２５ｂ内に突起部２６ｂが噛み合うよう収まっている。これにより、スリーブ１７の軸に直交する方向におけるスリーブ１７とスリーブ制御部１８との相対位置関係を常に良好に保つことができる上、スリーブ１７の軸方向の移動も制限することができるので、スリーブ１７の軸方向におけるスリーブ１７とスリーブ制御部１８との対向距離関係をも常に良好に保つことができる。
【００５８】
また、図７および図８にスリーブ制御部１８の他の例を示す。図７はスリーブ制御部１８の断面図、図８はスリーブ１７の軸回り回動制御部を抜き出した斜視図を示している。
【００５９】
ここでは、スリーブ１７の軸回りの回動制御部を超音波モータに代えて電動モータ１８ｍとした場合が例示されている。すなわち、スリーブ１７の上面には歯車付きの台座１８ｄがスリーブ１７の外周に沿ってリング状に配置されている。この歯車付きの台座１８ｄは、歯車１８ｅ１，１８ｅ２を介して電動モータ１８ｍによって回転駆動されるようになっている。なお、電動モータ１８ｍの数は１個に限定されるものではなく複数設けても良い。また、この場合も図５および図６で示したスリーブ１７の位置ずれ防止機構を設けても良い。
【００６０】
一方、図２および図３に示すように、スリーブ１７の中空室１７ａ（大径室１７ａ１）内には、ニードル（第２燃料制御部材、針弁）１９が、その軸を筐体１６およびスリーブ１７の軸と一致させた状態で、ニードル１９の軸方向（上下方向、矢印Ｐ１の方向）に移動可能な状態で収容されている。
【００６１】
このニードル１９は、図３に示す中空室１７ａの小径室１７ａ２内への燃料の供給を制御する部材である。ニードル１９は、円柱状に形成されており、その直径は、大径室１７ａ１よりは小さいが、小径室１７ａ２よりは大きい。
【００６２】
ニードル１９において中間室１７ａ３の壁面に対向する先端部には、中間室１７ａ３の壁面の傾斜に合うようにテーパが形成されている。このニードル１９の先端部が、中間室１７ａ３の壁面に接している状態が閉弁状態であり、中間室１７ａ３の壁面から離れている状態が開弁状態である。
【００６３】
このニードル１９の軸方向の移動は、図２および図３に示すニードル制御部１５ｂによって制御されるようになっている。図２には、ニードル制御部１５ｂとして、例えば従来と同様のソレノイドＳを用いた制御部を例示している。
【００６４】
ソレノイドＳは、筐体１６の上部の第１制御室ＦＣＲ１に設置されており、コイル部Ｓ１と、バルブ部Ｓ２と、バネＳ３とを有している。
【００６５】
第１制御室ＦＣＲ１は、燃料流出管Ｔ４に接続されているとともに、燃料流通管Ｔ３を通じて第２制御室ＦＣＲ２に接続されている。この第２制御室ＦＣＲ２には、ピストン部ＰＳおよびバネＳＲが設置されている。ピストン部ＰＳは、ニードル１９と一体的に接続されている。
【００６６】
また、第１制御室ＦＣＲ１は、オリフィスＯＲの流通路を通じてコマンド室ＣＭＲに接続されている。コマンド室ＣＭＲは、燃料流入管Ｔ１に接続されている。このコマンド室ＣＭＲには、ピストン部ＰＳの上面が、オリフィスＯＲに対応した状態で面している。
【００６７】
このようなニードル制御部１５ｂは、電子制御ユニット（Engine Control Unit：以下、ＥＣＵと略す）に電気的に接続されており、その動作（リフト量）がＥＣＵにより制御される。なお、ニードル制御部１５ｂはソレノイドを用いた構成に限定されるものではなく、例えばピエゾアクチュエータ（圧電素子）を用いても良い。
【００６８】
ここで、図２５に比較のため従来の一般的なインジェクタ５０Ｂを示す。図２および図２５に示すように、第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、スリーブ１７を設けたことにより、ニードル１９およびニードル制御部１５ｂとして、図２５に示す従来の一般的なインジェクタ５０Ｂのニードル５５およびニードル制御部５６を使用することができる。
【００６９】
特許文献３〜７の場合は、ニードルおよびニードル制御部が一般的なものとは異なる上、その構造や制御方法が複雑になる。また、上記の燃料漏れ等の観点からニードルに高い加工精度および位置合わせ精度が要求される。
【００７０】
これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５では、ニードル１９およびニードル制御部１５ｂ自体は一般的なものを使用できる上、ニードル１９およびニードル制御部１５ｂとは別個にスリーブ１７とスリーブ制御部１８を設置するだけであり、しかもスリーブ１７には上記のように高い加工精度や位置合わせ精度も要求されないので、比較的簡単な構造でインジェクタ１５の燃料噴射の制御性を向上させることができる。
【００７１】
また、特許文献７の場合、例えばニードルが中空筒状に形成されておりニードルの強度が低下している。すなわち、１つのニードルに開閉弁の機能と燃料噴射制御の機能とを持たせていることによりニードルの強度が弱くなっている。
【００７２】
これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５では、ニードル１９自体は一般的なものを使用できるので、ニードル１９の強度を確保でき、その変形や損傷を低減できる。したがって、インジェクタ１５の寿命や信頼性の低下を招くことなく、インジェクタ１５の燃料噴射の制御性を向上させることができる。
【００７３】
図２および図３に示す燃料流通管Ｔ２は、燃料流入管Ｔ１から供給された燃料を燃料噴射部１５ａに供給する通路であり、上記した中空室１６ａに接続され、さらにスリーブ１７に形成された燃料供給通路１７ｄを通じて中空室１７ａ（大径室１７ａ１）に接続されている。
【００７４】
次に、燃料噴射量、燃料噴射位置および燃料噴射形状（分布）の制御の一例について図９〜図１４を参照しながら説明する。
【００７５】
図９および図１１は第１の実施の形態のインジェクタ１５の筐体１６の第１噴孔１６ｃとスリーブ１７の第２噴孔１７ｃとの対向状態を模式的に示したインジェクタ１５の要部斜視図を示し、図１０および図１２はそれぞれ図９および図１１の第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの対向状態の平面図を示している。
【００７６】
第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合、スリーブ１７の軸回り回動または軸方向移動により燃料噴射流路を形成する。このスリーブ１７の回転角度は微小な角度で高精細に設定することができる。このため、スリーブ１７の回転角度の微小な変更により第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの開口面の対向状態を連続的に変えることができ、燃料噴射流路の断面積を連続的に変えることができる。あるいは、燃料噴射のたびにスリーブ１７を回転させることで噴射毎の噴射量を変化させることもできる。
【００７７】
例えば図１０は、第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとがほぼ完全に一致している場合で燃料噴射流路の断面積が最も大きい。図１２は、第１噴孔１６ｃと第２噴孔１７ｃとの重なりが図１０の場合よりも小さい場合で燃料噴射流路の断面積も図１０の場合よりも小さい。
【００７８】
このように第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、スリーブ１７の回転角度を微調整することにより、燃料噴射量を高精細な精度で増減することができる。また、上記した燃料噴射位置の制御との組み合わせにより、燃料噴射形状（燃料噴射分布）を高精細な精度で設定することができる。
【００７９】
また、燃料噴射量をニードルの上下量や開弁時間により制御していた従来のインジェクタの場合、燃料噴射流路の一部が閉塞した場合、燃料噴射量が一定になってしまう問題がある。すなわち、燃料の噴射が高圧になると、燃料噴射流路内で液体が音速に達し、それ以上加速されない、いわゆる閉塞という現象が生じ、それ以上の噴射流量にならないという問題がある。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、燃料噴射流路の一部が閉塞した場合、燃料噴射流路の断面積（穴径）を変える（大径にする）ことで燃料噴射量を変えることができるので、上記のような問題を回避することができる。
【００８０】
また、スリーブ１７の回転時には、スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３を中間室１６ａ３の壁面に押し付けた状態で回転させることにより、スリーブ１７の回転時の燃料漏れを抑制または防止することができる。
【００８１】
図１３は第１の実施の形態のインジェクタ１５の燃料噴射量の変化を模式的に示したものである。また、図１４は比較のため燃料噴射流路の断面積（穴径）が一定で１つのニードルのリフト量で燃料噴射量を決定する従来のインジェクタの燃料噴射量の変化を模式的に示したものである。
【００８２】
燃料噴射量をニードルのリフト量によって決定する従来のインジェクタの場合は燃料噴射量が図１４に示すように変化する。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合、上記のように燃料流路の断面積（穴径）を変化させるとともに、さらにニードル１９のリフト量を変化させることで燃料噴射量を決定する。これにより、燃料噴射量や燃料噴射形状（分布）をより精細に設定することができる。また、図１３に示すように、燃料噴射量を非線形に変化させることができる。このため、燃料流量の立ち上がりを急峻にすることにより、燃料流量を燃焼に必要な量に、より短期間で設定することができる。すなわち、燃料噴射の応答性を向上させることができる。
【００８３】
また、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、燃料流路の断面積（穴径）を変化させるとともに、さらにニードル１９のリフト量を変化させることで燃料噴射量を決定するので、特許文献７の場合に比べて燃料噴射流量および燃料噴射形状（分布）の制御性を向上させることができる。また、燃料流量の立ち上がりを急峻にすることができ、特許文献７の場合よりも燃料噴射の応答性を向上させることができる。
【００８４】
また、特許文献７の場合、ニードルに溝や孔を形成するので、ニードルの精密な加工が必要である。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合、スリーブ１７自体を単独で製造でき、上記のようにニードル１９の精密な加工を必要としないので、インジェクタ１５の量産性を向上させることができる。
【００８５】
さらに、特許文献１〜７のインジェクタでは、バネ等の使用が多く機械的に複雑で制御も複雑になるのに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５の場合は、構造を比較的簡単化することができ、制御も比較的容易にすることができる。特に、スリーブ１７とニードル１９とを分けていることにより、各々を別々に制御できるので、制御を容易にでき、燃料噴射の制御性を向上させることができる。
【００８６】
次に、インジェクタ１５による燃料噴射形状（分布）の一例について図１５〜図１８を参照しながら説明する。
【００８７】
図１５および図１６はインジェクタ１５を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料Ｆの状態を模式的に示している。図１５は燃料噴射時、図１６は燃料噴射後の燃料Ｆの状態を示している。
【００８８】
均質燃焼時には燃料Ｆの噴霧が比較的広い範囲に亘ってキャビティ４内に分布している。均質燃焼は、高負荷燃焼時や予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition:以下、ＨＣＣＩという）燃焼時に有効である。
【００８９】
ＨＣＣＩ燃焼は、燃料と空気とを予め混合させた均一で希薄な混合気を圧縮し、自着火させる燃焼方法である。ＨＣＣＩ燃焼の場合、均一な混合気を燃焼させることから黒煙の発生を低減できる。また、希薄な混合気であることから燃焼温度を低くすることができ窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減できる。さらに、圧縮比を高くできるので、高い効率を得ることができる。
【００９０】
しかし、ＨＣＣＩ燃焼の場合、燃料が希薄なため失火あるいは過早着火の恐れがあり、また、運転領域が狭いという問題がある。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、キャビティ４内に燃料過濃度領域と燃料希薄領域とを形成することにより、燃料を確実に着火することができ、かつ、キャビティ４内全体では希薄混合気になるような燃料濃度分布を生成することができる。これにより、失火の問題を回避でき、また、運転領域を拡大することができる。したがって、ＨＣＣＩ燃焼による低ＮＯｘで、かつ、低ＰＭ（Particulate Matter）での燃焼を実現することができる。
【００９１】
図１７および図１８はインジェクタ１５を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料Ｆの状態を模式的に示している。図１７は燃料噴射時、図１８は燃料噴射後の燃料Ｆの状態を示している。
【００９２】
成層燃焼時には、燃料Ｆの噴霧がキャビティ４の上層部に分布している。成層燃焼は、軽負荷時に有効である。第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、スリーブ１７およびニードル１９の制御により、均質燃焼のための燃料噴射形状（分布）から成層燃焼のための燃料噴射形状（分布）に交互に切り替えることができる。
【００９３】
第２の実施の形態のインジェクタ
図１９は第２の実施の形態におけるインジェクタ１５の燃料噴射部を模式的に示し、図２０は図１９のインジェクタ１５の燃料噴射部の筐体１６およびスリーブ１７を抜き出して示している。なお、図１９および図２０では説明を分かり易くするためにインジェクタ１５の内部を透かして見せている。
【００９４】
第２の実施の形態のインジェクタ１５においては、スリーブ１７の下部と、その周囲の中空室１６ａの形状が円錐台形状に形成されている。すなわち、スリーブ１７の下部には、半球面部１７ｂ２に代えて円錐台形部（小径部）１７ｂ４が形成されている。また、中空室１６ａの下部には、半球面室１６ａ２に代えて円錐台形室１６ａ４が形成されている。そして、このスリーブ１７の円錐台形部１７ｂ４の壁面と、これに対向する中空室１６ａの円錐台形室１６ａ４の壁面とが互いに沿うように直線状（平坦）に形成されている。これにより、スリーブ１７を中空室１６ａの壁面に押し当てた時にスリーブ１７の壁面と中空室１６ａの壁面との密着性を向上させることができるので、上記した燃料のシール性を向上させることができる。これ以外の構成は前記実施の形態１で説明したのと同じである。
【００９５】
次に、第２の実施の形態のスリーブ１７の回転制御方法について図２１および図２２を参照しながら説明する。
【００９６】
図２１は燃料噴射時のインジェクタ１５の要部の状態を模式的に示している。この図２１では、筐体１６のノズル部１６ｂの所望の第１噴孔１６ｃと、スリーブ１７の円錐台形部１７ｂ４の所望の第２噴孔１７ｃとが一致している段階が示されている。燃料はこの状態で噴射される。
【００９７】
続いて、図２２は燃料噴射停止時のインジェクタ１５の要部の状態を模式的に示している。ここでは、スリーブ１７およびニードル１９を矢印Ｐ３に示す軸方向に若干下降する。これにより、スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３を中間室１６ａ３の壁面に押し付け、燃料漏れを抑制または防止する。また、ニードル１９の先端を中間室１７ｂ３の傾斜面に押し付け、燃料の噴射を停止する。
【００９８】
この時、第２の実施の形態のインジェクタ１５では、上記したようにスリーブ１７の円錐台形部１７ｂ４の壁面と、これに対向する中空室１６ａの円錐台形室１６ａ４の壁面とが互いに沿うように直線状（平坦）に形成されていることにより、スリーブ１７を下降してスリーブ１７の壁面を中空室１６ａの壁面に押し当てた時に円錐台形部１７ｂ４の壁面と円錐台形室１６ａ４の壁面との密着性を向上させることができるので、燃料のシール性を向上させることができる。なお、これ以外の効果は前記第１の実施の形態で説明したのと同じである。
【００９９】
その後、上記状態（スリーブ１７のテーパ部１７ｂ３を中間室１６ａ３の壁面に押し付け、また、ニードル１９の先端を中間室１７ａ３の傾斜面に押し付けた状態）を維持したまま、スリーブ１７を矢印Ｐ４に示す方向に予め設定された角度だけ回転し、所望の第１噴孔１６ｃと所望の第２噴孔１７ｃとが離れたところで回転を停止することにより、燃料噴射停止動作を終了する。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関は、燃料噴射装置の筐体内に収容された第１燃料制御部材の軸回りの回動および軸方向の移動により燃料噴射を制御することにより、比較的簡単な構造で内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができるので、自動車等の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ シリンダ（気筒）
４ キャビティ（燃焼室）
１５ インジェクタ（燃料噴射装置）
１５ａ 燃料噴射部
１５ｂ ニードル制御部（第２制御部）
１６ 筐体
１６ａ 中空室
１６ａ１ 大径室
１６ａ２ 半球面室（小径室）
１６ａ３ 中間室
１６ａ４ 円錐台形室（小径室）
１６ｂ ノズル部
１６ｃ 第１噴孔（第１燃料噴射孔）
１７ スリーブ（第１燃料制御部材）
１７ａ 中空室
１７ｂ１ 大径部
１７ｂ２ 半球面部（小径部）
１７ｂ３ テーパ部
１７ｂ４ 円錐台形部
１７ｃ 第２噴孔（第２燃料噴射孔）
１７ｄ 燃料供給通路
１８ スリーブ制御部（第１制御部）
１８ａ ソレノイド
１８ａ１ コイル部
１８ａ２ 鉄心部
１８ｂ 超音波モータ
１８ｂ１ ステータ部
１８ｂ２ ロータ部
１８ｃ バネ
１８ｄ 台座
１８ｅ１，１８ｅ２ 歯車
１８ｍ 電動モータ
１９ ニードル（第２燃料制御部材）
２５ａ，２５ｂ 溝
２６ａ，２６ｂ 突起
Ｓ ソレノイド
Ｓ１ コイル部
Ｓ２ バルブ部
Ｓ３ バネ
ＯＲ オリフィス
ＳＲ バネ
Ｔ１ 燃料流入管
Ｔ２，Ｔ３ 燃料流通管
Ｔ４ 燃料流出管
ＦＣＲ１ 第１制御室
ＦＣＲ２ 第２制御室
ＣＭＲ コマンド室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１中空室を有し、かつ、前記第１中空室と外部とを連通する第１燃料噴射孔を有する筐体を装置本体に備え、前記装置本体に供給された燃料を、前記筐体の前記第１燃料噴射孔から内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、
前記第１中空室に、軸回りの回動および軸方向の移動が可能な状態で収容され、かつ、第２中空室を有する第１燃料制御部材と、
前記第１燃料制御部材の回動および移動を制御する第１制御部と、
前記第２中空室内に、軸方向に移動可能な状態で収容され、該軸方向の移動により前記第１燃料噴射孔への燃料の供給を制御する第２燃料制御部材と、
前記第２燃料制御部材の軸方向の移動を制御する第２制御部とを備え、
前記第１燃料制御部材には、該第１燃料制御部材の外部と前記第２中空室とを連通する第２燃料噴射孔が形成されており、
前記第２燃料噴射孔の出口は、前記第１燃料制御部材の一または複数の位置において、前記第１燃料噴射孔の入口に対向するように設けられており、
前記第１燃料制御部材の回動および軸方向の移動により、前記第１燃料噴射孔の入口と前記第２燃料噴射孔の出口とを対向させることで燃料噴射流路の形成と、該燃料噴射流路の断面積の変更とを行う燃料噴射装置。
【請求項２】
前記第１燃料制御部材の壁面と前記第１中空室の壁面との間の燃料のシール部は、前記第１燃料制御部材において前記第１燃料噴射孔の配置面から離れた位置に配置された第１シール面と、前記第１中空室の壁面において前記第１シール面に対向する第２シール面とを備え、前記第１シール面が、前記第２シール面に当てられた状態で接触することで形成される請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記第１燃料制御部材の外形は、円錐台形状に形成されており、前記第１燃料制御部材の外壁面と、前記第１中空室の壁面とが互いに沿うように形成されている請求項１または２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置を備える内燃機関。
【請求項１】
第１中空室を有し、かつ、前記第１中空室と外部とを連通する第１燃料噴射孔を有する筐体を装置本体に備え、前記装置本体に供給された燃料を、前記筐体の前記第１燃料噴射孔から内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、
前記第１中空室に、軸回りの回動および軸方向の移動が可能な状態で収容され、かつ、第２中空室を有する第１燃料制御部材と、
前記第１燃料制御部材の回動および移動を制御する第１制御部と、
前記第２中空室内に、軸方向に移動可能な状態で収容され、該軸方向の移動により前記第１燃料噴射孔への燃料の供給を制御する第２燃料制御部材と、
前記第２燃料制御部材の軸方向の移動を制御する第２制御部とを備え、
前記第１燃料制御部材には、該第１燃料制御部材の外部と前記第２中空室とを連通する第２燃料噴射孔が形成されており、
前記第２燃料噴射孔の出口は、前記第１燃料制御部材の一または複数の位置において、前記第１燃料噴射孔の入口に対向するように設けられており、
前記第１燃料制御部材の回動および軸方向の移動により、前記第１燃料噴射孔の入口と前記第２燃料噴射孔の出口とを対向させることで燃料噴射流路の形成と、該燃料噴射流路の断面積の変更とを行う燃料噴射装置。
【請求項２】
前記第１燃料制御部材の壁面と前記第１中空室の壁面との間の燃料のシール部は、前記第１燃料制御部材において前記第１燃料噴射孔の配置面から離れた位置に配置された第１シール面と、前記第１中空室の壁面において前記第１シール面に対向する第２シール面とを備え、前記第１シール面が、前記第２シール面に当てられた状態で接触することで形成される請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記第１燃料制御部材の外形は、円錐台形状に形成されており、前記第１燃料制御部材の外壁面と、前記第１中空室の壁面とが互いに沿うように形成されている請求項１または２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置を備える内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１１−２２０２７５（Ｐ２０１１−２２０２７５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９２０７２（Ｐ２０１０−９２０７２）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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